Study on cloud turbulent mixing and cloud microphysical processes by large scale numerical simulation

云湍流混合与云微物理过程的大规模数值模拟研究

• 批准号: 20H00225
• 负责人: 後藤 俊幸
• 金额: $ 28.7万
• 依托单位: Keio University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20H00225/
• 关键词: 雲乱流; エアロゾル; 雲粒子; 揺らぎ; 過飽和度; エネルギ散逸率; エンストロフィー; 確率密度関数; 雲マイクロ物理; 雲粒子成長; 大規模シミュレーション; 雲水混合率揺らぎ; 分散スペクトル; ダムケラ数; ランジュバンモデル; 混合輸送; 大規模数値計算; 雲乱流; エアロゾル; 雲粒子; 揺らぎ; 過飽和度; エネルギ散逸率; エンストロフィー; 確率密度関数; 雲マイクロ物理; 雲粒子成長; 大規模シミュレーション; 雲水混合率揺らぎ; 分散スペクトル; ダムケラ数; ランジュバンモデル; 混合輸送; 大規模数値計算

雲粒子生成の核となるエアロゾルの乱流輸送、雲粒子成長の源である過飽和度の乱流混合輸送、そして乱流の特性を表す最も重要な特性量であるエネルギー散逸率とエンストロフィー（渦度の2乗）の揺らぎを表す確率分布関数(PDF)について、理論および大規模シミュレーションを駆使した解析を行った。エアロゾルは、分子拡散が無視できるシュミット数無限大のスカラーとみなせる。このエアロゾルの空間揺らぎのスペクトルを数値的にシミュレーションすることには大きな困難を伴う。無限小サイズの流体粒子に仮想的なスカラー量を担わせるとともに、それが固有の特性時間でもって周囲の環境に応答するという数値モデルを導入し、これによって高レイノルズ数乱流により輸送される無限大シュミット数のスカラー分散スペクトルを計算することに成功し、乱流理論と一致する結果を得、さらにスペクトル強度を決めるバチェラー定数をも得た。　一方、エアロゾル周囲の過飽和度は、エアロゾルの数密度に依存する特性時間でもってその揺らぎの振幅が変動する。この過飽和度揺らぎのスペクトルには2つのk^{-5/3}領域が存在することが昨年度までの理論研究により示されていたが、大規模シミュレーションにより、理論と一致する2つのべき的スペクトルの存在を得ることに成功した。乱流におけるエンストロフィーのPDFのすそ野はエネルギー散逸率のそれよりも常に長い。これは長い間謎とされてきた。理論的解析および多数の大規模シミュレーションを駆使することにより、２つのPDFがレイノルズ数とともにそのすそ野を広げてゆくこと、両PDFが引き延ばされたガンマ分布であること、そしてすそ野の長さの違いは、エネルギー散逸率とエンストロフィーの定義式における項の数の違いから生ずるものであることを理論的に示し、大規模シミュレーションでも確認され理論の正当性を確認した。

我们分析了有关气溶胶的湍流传输的理论和大规模模拟，这是云颗粒产生的核心，湍流的过饱和混合转运，这是云颗粒生长的来源以及概率分布函数（PDF），这代表了能量耗散率和胚胎的波动（涡流的平方），这是最重要的特征。气溶胶可以视为具有无限施密特数字的标量，可以忽略分子扩散。在数值上模拟该气溶胶的空间波动的光谱非常困难。引入了一个数值模型，其中为无限大小的流体颗粒提供了一个虚拟标量的量，并以其独特的特征时间对周围的环境做出了响应，因此，他们成功地计算了无限schmidt的标量分散频谱，该数字由高reynolds数量构成湍流，并在构成构成的情况下，并确定构成构成构成的理论，并确定了高雷诺数的运输。另一方面，由于特征时间取决于气溶胶的数量密度，因此气溶胶周围的过饱和度改变了其波动的幅度。直到去年，理论研究表明，在这种过饱和的频谱中，有两个k^{ - 5/3}区域，但是大规模的模拟成功地获得了与该理论一致的两个功率光谱的存在。湍流中肠the的PDF的场总是比能量耗散速率的场更长。长期以来，这是一个谜。通过使用理论分析和大量的大规模模拟，我们从理论上证明了两个PDF以及雷诺的数量扩大了它们的领域，两个PDF都扩展了γ分布，并且该领域的差异是由能量耗散率的数量和确定的术语差异引起的。